在役风电螺栓的相控阵超声检测

王 磊

(山西省机电设计研究院有限公司,山西 太原 030009)

0 引言

近几年我国的大型风电机组行业发展迅猛,风电机组的可靠性和质量安全也越来越受到重视。螺栓连接是风电机组中最主要的连接方式之一,机组的主要部件几乎全部采用螺栓连接，因此螺栓的质量关系到整个风电机组的可靠运行。由于螺栓除了需要承受复杂的应力和腐蚀作用外,还要同时承受温度变化的冲击和侵蚀,螺纹连接部分容易产生疲劳性的裂纹而导致断裂，所以需要对在役的螺栓进行定期检测,以有效减小风电设备潜在的倒塌风险。

利用传统的磁粉或超声波检测在役螺栓存在一定的局限性，因为：①在役螺栓大部分安装在工件中,仅露出端头一部分,在不拆卸的情况下,磁粉检测无法进行;②在役的螺栓是细长的圆柱体且开有螺纹,螺栓螺牙纹上的缺陷常规超声难以检测,极易漏检;③常规超声检测无法记录数据或记录缺陷,无可追溯性。针对在役风电螺栓检测的难点,本文运用相控阵检测系统,采用相控阵超声检测技术搭配专用的相控阵探头在螺栓头部进行检测,可以检测出螺栓螺纹部位的缺陷。

1 相控阵超声检测螺栓原理

图1为相控阵超声检测螺栓原理。使用微型探头阵列产生超声波束，通过建立聚焦法使电子装置控制每个阵列单元的发射和接收时间，从而产生出多个超声波束，通过控制阵列的激发和接收时间控制波束角度、聚焦深度、尺寸等,实现工件的扫描成像。利用相探阵的扇形声束扫描螺栓，采用纵波垂直和小角度倾斜入射使声场能够覆盖整个螺栓的螺纹区域,并且能够通过改变聚焦深度来提高检测分辨力；通过图像显示和波形显示相结合的方式，能更好地辨别缺陷波和干扰波。

与传统检测方法相比,相控阵超声检测螺栓优势明显,主要解决了检测中的几大问题:①相控阵探头只接触螺栓头部便可利用扇形声束确保检测到整根螺栓；②相控阵采用二维或三维成像组合显示,使超声检测结果更加直观,评定更方便；③相控阵检测使用编码器记录数据,检测的每一根螺栓都可以保存一条数据,每一次检测均具有可追溯性。

图1 相控阵超声检测螺栓原理

2 在役螺栓的检验试验分析

2.1 检测系统参数的选择

正确地选择参数对于有效地检测和发现缺陷并对缺陷的定位、定量甚至是稳定性来说都是至关重要的。

检测装置选用HS PA20相控阵裂纹检测仪,考虑到在役螺栓具体的检测要求,采用直探头进行纵波扇形扫查,检测探头选用5L32一维线性阵列扇形探头。检测仪扫查起始角度为-30°～30°,角度步进为0.5°,检测仪扫查深度设置在容易出现裂纹的螺纹区域。

对比试块由被检螺栓加工而成，即选用M30×250 mm六角头螺栓，螺纹长度为50 mm，材质为42CrMoA。采用A扫功能找到250 mm的底面一次波和二次波的最高反射波来调节探头零点和声速。灵敏度调节选用Φ1平底孔为基准灵敏度，选用底波调节法调节，调节完基准灵敏度后再增加6 dB作为初始扫查灵敏度。

2.2 实物检测

2.2.1 无缺陷的M30×250 mm六角头螺栓检测

当声束从螺栓头部进入无缺陷的螺栓时,反射回波如图2所示。图2左侧图形是A扫图像，右侧图形是S扫图像。A扫图像中底波外螺纹处的反射波呈现“山”字形状,相邻的回波波幅出现阶梯状的梯度；S扫显示比较直观,螺纹反射波有规则地排列,由上到下螺纹反射波影像由深入浅。

图2 无缺陷螺栓的反射波和影像

2.2.2 螺纹部位有裂纹的M30×250 mm螺栓检测

有裂纹的M30×250 mm螺栓如图3所示。声束从螺栓头部进入时的反射回波如图4所示，声束从螺栓底部进入时的反射回波如图5所示。

图3 有裂纹的M30×250 mm螺栓

由图4可以看出：由于超声波扫描到螺纹根部裂纹，因此A扫图像形成一处比较尖锐的反射回波,这个反射回波比螺纹处的反射回波要高很多,从而使螺纹处的反射波"山"字回波破坏减弱；S扫显示，裂纹一侧的螺纹反射波有规则的排列也在裂纹处变得不规则,裂纹处的显示明显加强了显示面积和显示颜色,裂纹以下的螺纹反射波的基本显示也不明显;通过定位可以确定缺陷位置在距离螺栓头部210 mm处。

图4 声束从螺栓头部进入时螺纹根部裂纹反射波形和影像

由图5可以看出：A扫图像出现了比较尖锐的反射回波,基本上无螺纹反射波；S扫显示，有裂纹一侧的螺纹反射波有规则的排列也在裂纹处变得不规则,裂纹处的基本显示图像变大、颜色变深;通过定位可以确定缺陷位置在距离螺栓底部40 mm处,与端部检测的深度一致。

2.2.3 有多处缺陷的M48×450六角头螺栓模拟试件检测

常见的风电螺栓规格为M30～M64,长度为150 mm～450 mm。选取材质为42CrMoA的M48×450六角头螺栓作为模拟试块,并在该试块上加工人工缺陷,即选择螺纹距端头300 mm、350 mm、400 mm、420 mm处各加工长度为10 mm、深度为1 mm的刻槽,刻槽均垂直于螺纹轴线。模拟试块示意图如图6所示。

图5 声束从螺栓底部进入时螺纹根部裂纹反射波形和影像

图6 模拟试块示意图

对模拟试块从试块头部进行测试,检测结果如表1所示。

表1 从试块头部进行扫查的检测结果

通过测试，扇形扫描图中300 mm～450 mm之间的4处人工缺陷均能够发现，且清晰显示，如图7所示。

图7 声束从试块头部进入时螺纹根部裂纹反射波形和影像

从试块头部进行检测，试块螺纹处离端部比较远，仍然可以清晰地显示出缺陷，由此可见该一维相控阵探头检测的范围完全覆盖了常规风电螺栓的螺纹部分，并且可以检测出一个螺栓上的多处缺陷，能量可以均匀地发射到螺栓底部，不会像传统超声波对一处的缺陷进行反射而衰减，从而对其他缺陷造成漏检和错检。从试块头部进行检测,由于螺纹处离端部比较远,避开了检测的盲区,且缺陷和螺纹的对比度比较大,便于检测和评判。

3 结语

通过试验证实了相控阵超声检测技术搭配专用的相控阵探头对螺栓头部进行检测,能检测出在役螺栓的裂纹缺陷。定期对在役螺栓进行检测,可大大降低安全隐患。